1.5. Особливості моделювання й проектування об'єктів мехатроники

Навколишній світ сприймається нами як різноманіття окремих об'єктів і суб'єктів. Для рішення багатьох завдань, наприклад пов'язаних з вивченням об'єктів, їх розглядають, не відірвано від оточення, а у взаємодії з ним. Навколишнє середовище впливає на об'єкт, а об'єкт, у свою чергу, впливає на навколишнє середовище (мал. 1.15). Існують різні підходи до роботи з об'єктами. Безпосередня робота припускає використання реального об'єкта, наприклад, у випробуваннях по визначенню його властивостей. У модельному підході реальний об'єкт заміняють копією. Копія може бути фізичної, тоді говорять про фізичну модель об'єкта. Копія також може бути нематеріальної, наприклад, у вигляді набору даних, тоді говорять про інформаційну модель. Застосування моделей називають моделюванням, які допомагають вирішувати різноманітні технічні завдання, дозволяючи одержати технічний, економічний, або інший ефект. У дитинстві кожна людина, не припускаючи цього, будував моделі й моделював. Кубики перетворювалися в моделі веж, будинків і автомобілів, ляльки терпляче переносили спроби їх нагодувати, моделюючи маленьких дітей (мал. 1.16).

Виникнення й застосування моделювання обумовлене багатьма причинами, серед яких необхідність придбання досвіду й вивчення законів фізики, недолік часу й засобів і ін. Одержання знань за допомогою фізичних моделей істотно дешевше тому, що вартість моделей менше вартості реальних об'єктів, а робота з моделями менш трудомістка.

Кубик - як модель будівельного елемента, наприклад цегли, не принесе неприємностей, упавши на ногу юного дослідника, але дозволить довідатися про закон всесвітнього тяжіння, одержати навичку будівельника й не зажадає значних фізичних зусиль. Звичайно, подібність кубика й цегли не є повним, також як і подібність декількох кубиків, установлених один на одного, з вежею Але це й не потрібно. Модель використовують для розкриття окремих властивостей об'єкта. Кубик моделює деяке наближення форми цегли і його маси. Модель вежі з кубиків моделює будова вежі. І хоча така модель лише віддалено нагадує реальний об'єкт, вона дозволяє моделювати його роботу. Вежа-Модель може впасти. Це значить, що, використовуючи модель, можна досліджувати стійкість конструкції вежі.

Об'єкти моделювання в механотронике відрізняються від об'єктів, розглянутих у прикладах. У першу чергу вони відрізняються розмаїтістю компонентів і способом формування властивостей. Застосовувані компоненти можуть розрізнятися за принципом роботи, варіантам використання й по їхній фізичній природі. У таких об'єктах можуть поєднуватися різні матеріальні й нематеріальні форми: газова, рідка, тверда, електронна, електромагнітна, інформаційна й т.д. Завдання дослідника полягає у визначенні або формуванні функціональних властивостей об'єкта, що є результатом взаємодії зазначених форм і компонентів.

Механотронные системи можна виявити у виробничому встаткуванні, транспортних засобах, комп'ютерах і багатьох інших об'єктах. У комп'ютерах, наприклад, така система застосовується для повітряного охолодження процесора (мал. 1.17). Система містить у собі пропелер, приводний двигун, блок керування й радіатор, що контактує із процесором (мал. 1.18). Система представлена компонентами різної природи. Пропелер, механічні частини приводного двигуна, блок керування й радіатор утворені твердою матеріальною формою. Електронний потік, що передає енергію по електричних елементах і провідникам, представляє електронну матеріальну форму. Інформаційна форма представлена цими ж елементами, але вона відповідає за передачу інформації.

Газова матеріальна форма представлена навколишнім повітрям, що також є компонентом системи охолодження. Властивість системи прохолоджувати процесор формується в такий спосіб. Процесор, функціонуючи, виділяє тепло. Тепло передається радіатору. При подачі сигналу керування на вхід електронного блоку керування струми й напруги передають інформацію про необхідність запуску двигуна. Це приводить до підключення джерела електричної енергії до обмоток приводного двигуна. Струм, що протікає по обмотках статора двигуна, утворить електромагнітне поле. Поле, взаємодіючи з ротором двигуна, обертає його вал. Вал двигуна обертає пропелер. Пропелер надає руху повітрю, що обдуває радіатор. Зміна шарів повітря радіатора приводить до теплообміну з навколишнім середовищем, охолодженню радіатора й контактуючого з ним процесора. Таким чином, спільна робота компонентів, що представляють різні форми, забезпечує комфортні умови роботи процесора.

Інший приклад об'єкта механотроники - клапан тиску в гідроприводі (мал. 1.19). Його використовують у системах з рідкими компонентами, таких, приміром, як системи керування промислових роботів. Клапан тиску застосовують для захисту робота в моменти виникнення неприпустимих навантажень. У клапані взаємодіють рідкі й тверда матеріальні форми. Клапан містить у собі корпус із комутуючими каналами, камеру керування, настроечный вузол, виконавчий елемент, робочу рідину (мал. 1.20). Робота клапана складається в контролі навантаження, ухваленні рішення про необхідність захисту робота й виконанні дій, які приведуть до зниження навантаження. Рішення такого завдання жадає від клапана інтелектуальних здатностей. І клапан успішно з нею справляється.

Розглянуті приклади дають подання про об'єкти механотроники. Дослідження їхньої роботи також пов'язане з моделюванням. У цих випадках можуть застосовуватися фізичні моделі, однак це не завжди ефективно.

Одночасно з розвитком техніки розвиваються й підходи до моделювання. Людина вчиться сприймати усе більше абстрактні поняття. Моделі, які він будує, стають більше зробленими й представляють нові можливості застосування. Для рішення завдань починають використовувати різновид інформаційних моделей - моделі математичні. Вони якісно відрізняються від фізичних моделей: властивості об'єкта копіюють не шляхом застосування інших фізичних засобів, а описом їхньої дії математичними залежностями. Підстановка значень у ці залежності й проведення розрахунків дозволяє визначити потрібні, але невідомі дані. Одна із проблем моделювання - побудова моделі. Побудова математичних моделей об'єктів з різнорідними компонентами й різноманітними фізичним процесами представляє непросте завдання. Рішення завдання вимагає значних витрат часу, ресурсів, а також високої кваліфікації. Інша проблема - виконання моделювання.

Воно вимагає багаторазових розрахунків по заданому алгоритмі. Складні розрахунки юлняются на комп'ютерах. Для цього математичні моделі представляють у середовищі комп'ютера в цифровому виді. Тому їх іноді називають цифровими моделями. Цифрові моделі дозволяють вирішувати широкий спектр завдань: моделювати конструкцію об'єкта, його функціональні властивості й ін. Для спостереження й оцінки характеристик об'єкта в ньому розглядають зміни, які відбуваються під дією заданих умов.

У чому складається завдання побудови моделей для розглянутих об'єктів механотроники? Про об'єкти відомо їхня будова, состав і опис роботи. Рішення завдання побудови моделі складається в розумінні робочих процесів, що відбуваються, і його поданні в математичній формі. Подібно використанню геометрії кубика для моделювання частини форми автомобіля, інші засоби використовують для опису й моделювання процесу дії об'єктів. Засобами - «матеріалами й технологіями» для побудови таких моделей є: математичні формули, мови програмування, закони фізики, алгоритми й ін. Труднощі, які необхідно переборювати, при створенні моделі, компенсуються одержуваним виграшем. Цей виграш може дивуватися, наприклад, у швидкості одержання характеристик роботи об'єкта, що забезпечується це за рахунок легкості зміни будь-якого параметра об'єкта й навколишнього середовища й можливості практично миттєво спостерігати вироблений ефект. З'являється також можливість створення умов для роботи об'єкта, які дуже важко відтворити у фізичному експерименті й т.д.

Математичне моделювання застосовують для перевірки працездатності об'єктів, визначення характеристик, вивчення впливу параметрів, умов на його роботу й т.д. Використання моделей дозволяє ефективно вирішувати багато завдань, іноді навіть не розв'язні для інших пособов.

Підбиваючи підсумок, можна сказати, що завдання моделювання, як правило, складається в одержанні за допомогою моделі невідомих даних про відомий объкте (мал.1.21).

Не менше значення моделі й моделювання мають також у рішенні іншого завдання - створенні нових об'єктів. Рішення такого завдання називають проектуванням. Приведемо приклад однієї з відомих формулювань завдання проектування. «Завдання інженерного проектування полягає в наступному: розробити при деяких обмеженнях, обумовлених способом рішення, елемент, систему або процес, що забезпечують оптимальне виконання поставленого завдання» [7].

Якщо опустити деталі, завдання проектування полягає в розробці нового об'єкта на основі відомих даних (мал. 1.22). Наприклад, завдання створення системи охолодження процесора може формулюватися в такий спосіб. Відомо: габаритні розміри процесора, його робоча температура й кількість тепла, виділювана в одиницю часу. Потрібно: розробити систему охолодження, що забезпечує роботу процесора в необхідному температурному діапазоні. Складність рішення завдання в такій постановці складається в розумінні й застосуванні способу рішення.

Традиційне проектування розглядається як деякий процес. Цей процес досить тривалий і трудомісткий. Послідовність дій при створенні нового об'єкта задає алгоритм. Алгоритм проектування формувався протягом десятиліть [2, 7, 38]. Зараз він уточнюється, подібно тому, як удосконалюються навколишні нас об'єкти. Виконання алгоритму жадає від розроблювачів високої кваліфікації. Це викликано необхідністю прийняття рішень, що вимагають глибокого розуміння широкого кола питань. Приміром, навіть на самому початку проектування розроблювач зіштовхується із проблемою одержання цілісного подання про створюваний об'єкт через відсутність частини вихідних даних. Проектування - багатоетапний процес. У виконанні етапів використовують різні типи моделей, і не тільки ті, що були розглянуті. Це, наприклад, моделі: принципів дій, робочих процесів, форм і ін. Проектування розглядають як послідовне спадкоємне подання об'єкта за допомогою декількох типів моделей. Початкові дані трансформують у функціональну схему, функціональну схему - у схему принципову, принципову схему - у математичну модель. Математичну модель трасформируют у модель конструкції, і в, кінцевому підсумку, у реальний об'єкт. Кожну модель використовують для рішення локальних завдань проектування, а її побудова й одержання рішення має свої особливості.

Наприклад, для моделювання роботи об'єкта описують процеси, що відбуваються в ньому. Це роблять за допомогою математичних залежностей, які записують у вигляді, сприйманому операційною системою комп'ютера. Для цього використовують мови програмування або спеціальні програми, наприклад «Математика», «Matlab», «Simulink» і ін. (мал. 1.23). Застосування математичних моделей і комп'ютерних інструментальних засобів у рішенні завдання проектування дозволяє побачити роботу об'єкта задовго до эго повної готовності, а також формувати його властивості.

Процеси в об'єктах механотроники можуть розвиватися досить швидко, тому в реальній системі спостерігати за ними складно. До таких процесів ставиться поширення хвиль малих деформацій, які можуть привести до гідравлічного удару. У клапані тиску, наприклад, протікають процеси, що тривають десяті й соті частки секунди (мал. 1.24). Вирішуючи завдання проектування, можна задати такі параметри клапана, які забезпечать необхідні характеристики, наприклад, час відгуку клапана на изменющуюся навантаження складе не більше 0,1 з (мал. 1.24).

Використовуючи графічну модель, формують конструкцію майбутнього об'єкта. Для цього застосовують графічні програмні пакети «AutoCAD», «Inventor», «Компас» і ін. Таким чином, проектування об'єкта розглядається як поетапний процес, у якому широко використовуються різні типи моделей і моделювання для одержання об'єкта із заданими властивостями.

Моделювання й проектування об'єктів механотроники надзвичайно цікаве й багатогранне заняття. Механотроника має свою «ізюминку». Це її міждисциплінарний характер. Смак цієї ізюминки доступний фахівцям, що мають глибокі знання в різних областях техніки, і умеющим їх застосовувати на практиці. Фахівцеві необхідно вирішувати завдання:

• дослідження будови об'єктів;

• побудови математичних описів процесів в об'єктах на основі законів механіки, гідравліки, електротехніки, газодинаміки й т.д.;

• побудови математичних моделей, використовуючи програмування й комп'ютерні інструментальні засоби;

• моделювання роботи об'єкта;

• використання алгоритмів проектування об'єктів;

• взаємодії з об'єктом на різних етапах його створення;

• формування характеристик об'єкта;

• конструювання.

Знання й досвід фахівця дозволять створювати нові корисні речі.

Ми розглянули тільки самі загальні причини застосування моделей, їхні деякі типи, особливості об'єктів механотроники й особливості моделей для їхнього вивчення й створення. Застосування моделей, звичайно, не обмежується розглянутими прикладами. Вони можуть застосовуватися також для рішення багатьох інших завдань, наприклад, прогнозування характеристик об'єктів, оцінки надійності, ресурсу й ін.

Далі будуть розглянуті питання побудови моделей і моделювання, алгоритми й зміст етапів проектування, а також, проблеми, що підстерігають розроблювача на шляху від ідеї до конструкції об'єкта.